Charakterystyka komórek prokariotycznych, struktura komórkowa, typy



The komórki prokariotyczne są to proste struktury i bez jądra ograniczonego błoną plazmatyczną. Organizmy związane z tym typem komórki są jednokomórkowe, chociaż można je grupować i tworzyć struktury drugorzędne, takie jak łańcuchy.

Z trzech domen życia zaproponowanych przez Carla Woese, prokarioty odpowiadają bakteriom i archeonom. Pozostała domena, Eucarya, składa się z komórek eukariotycznych, większych, bardziej złożonych i z ograniczonym rdzeniem.

Jedną z najważniejszych dychotomii w naukach biologicznych jest rozróżnienie między komórką eukariotyczną a komórką prokariotyczną. Historycznie, organizm prokariotyczny jest uważany za prosty, bez wewnętrznej organizacji, bez organelli i bez cytoszkieletu. Jednak nowe dowody niszczą te paradygmaty.

Na przykład zidentyfikowano struktury u prokariotów, które potencjalnie można uznać za organelle. Podobnie znaleziono białka homologiczne do białek eukariontów, które tworzą cytoszkielet.

Prokarionty są bardzo zróżnicowane pod względem żywienia. Mogą używać światła słonecznego i energii zawartej w wiązaniach chemicznych jako źródła energii. Mogą również korzystać z różnych źródeł węgla, takich jak m.in. dwutlenek węgla, glukoza, aminokwasy, białka..

Prokarionty dzieli się bezpłciowo na binarne rozszczepienie. W tym procesie organizm replikuje swoje koliste DNA, zwiększa jego objętość i ostatecznie dzieli go na dwie identyczne komórki.

Istnieją jednak mechanizmy wymiany materiału genetycznego, które generują zmienność bakterii, takie jak transdukcja, koniugacja i transformacja.

Indeks

  • 1 Ogólna charakterystyka
  • 2 Struktura
  • 3 Rodzaje prokariotów
  • 4 Morfologia prokariotów
  • 5 Powielanie
    • 5.1 Rozmnażanie bezpłciowe
    • 5.2 Dodatkowe źródła zmienności genetycznej
  • 6 Odżywianie
    • 6.1 Kategorie odżywcze
    • 6.2 Fotautotrofy
    • 6.3 Fotoheterotrofy
    • 6.4 Chemoautotrofy
    • 6.5 Chemoheterotrofy
  • 7 Metabolizm
  • 8 Podstawowe różnice z komórkami eukariotycznymi
    • 8.1 Wielkość i złożoność
    • 8.2 Rdzeń
    • 8.3 Organizacja materiału genetycznego
    • 8.4 Zagęszczanie materiału genetycznego
    • 8.5 Organelle
    • 8.6 Struktura rybosomu
    • 8.7 Ściana komórkowa
    • 8.8 Podział komórki
  • 9 Filogeneza i klasyfikacja
  • 10 Nowe perspektywy
    • 10.1 Organelle u prokariotów
    • 10.2 Magnetosomy
    • 10.3 Błony fotosyntetyczne
    • 10.4 Przedziały w Planctomycetes
    • 10.5 Składniki cytoszkieletu
  • 11 Odniesienia

Ogólna charakterystyka

Prokarionty są stosunkowo prostymi organizmami jednokomórkowymi. Najbardziej wyróżniającą się cechą, która identyfikuje tę grupę, jest brak prawdziwego jądra. Są one podzielone na dwie duże gałęzie: prawdziwe bakterie lub eubakterie i archaebakterie.

Skolonizowali prawie każde możliwe środowisko, od wody i gleby po wnętrze innych organizmów, w tym człowieka. W szczególności archaebakterie zamieszkują obszary o temperaturach, zasoleniu i skrajnym pH.

Struktura

Schemat architektoniczny typowego prokarionta jest bez wątpienia schematem Escherichia coli, bakteria, która normalnie żyje w naszym przewodzie pokarmowym.

Kształt komórki przypomina trzcinę i ma średnicę 1 um i długość 2 um. Prokarioty są otoczone ścianą komórkową, składającą się głównie z polisacharydów i peptydów.

Ściana komórkowa bakterii jest bardzo ważną cechą i, zgodnie ze strukturą, umożliwia ustanowienie systemu klasyfikacji w dwóch dużych grupach: bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych.

Za ścianą komórkową znajdujemy błonę (wspólny element między prokariotami i eukariotami) o charakterze lipidowym z osadzonymi w niej szeregami elementów protetycznych, które oddzielają organizm od środowiska.

DNA jest cząsteczką kolistą zlokalizowaną w określonym regionie, który nie ma żadnego typu błony ani separacji z cytoplazmą.

Cytoplazma wykazuje szorstki wygląd i posiada około 3000 rybosomów - struktur odpowiedzialnych za syntezę białek.

Rodzaje prokariotów

Obecne prokarioty składają się z szerokiej gamy bakterii podzielonych na dwie główne domeny: Eubakterie i Archaebacteria. Zgodnie z dowodami te grupy wydają się bardzo wcześnie ewoluować.

Archaebacteria to grupa prokariotów, które ogólnie żyją w środowiskach, w których warunki są niezwykłe, takich jak temperatury lub wysokie zasolenie. Warunki te są rzadkie w dzisiejszych czasach, ale mogą być powszechne w pierwotnej ziemi.

Na przykład termoacydofile żyją na obszarach, gdzie temperatura osiąga maksimum 80 ° C i pH 2.

Z drugiej strony eubakterie żyją we wspólnym środowisku dla nas, ludzi. Mogą zamieszkiwać ziemię, wodę lub żyć w innych organizmach - jak bakterie, które są częścią naszego przewodu pokarmowego.

Morfologia prokariotów

Bakterie występują w szeregu bardzo zróżnicowanych i heterogenicznych morfologii. Wśród najczęstszych mamy zaokrąglone, nazywane kokosami. Mogą być prezentowane indywidualnie, parami, łańcuchem, tetradami itp..

Niektóre bakterie są morfologicznie podobne do trzciny i nazywane są pałeczkami. Podobnie jak kokosy można znaleźć w różnych układach z więcej niż jedną osobą. Znaleźliśmy również spirocetowate spirale i te, które mają kształt śpiączki lub ziarna zwany wibracjami.

Każda z tych opisanych morfologii może się różnić między różnymi gatunkami - na przykład jeden Bacillus może być bardziej wydłużony niż inny lub z bardziej zaokrąglonymi krawędziami - i jest przydatny przy identyfikacji gatunku.

Reprodukcja

Rozmnażanie bezpłciowe

Rozmnażanie w bakteriach jest bezpłciowe i zachodzi poprzez rozszczepienie binarne. W tym procesie organizm dosłownie „rozpada się na dwie części”, w wyniku czego powstają klony pierwotnego organizmu. Aby tak się stało, muszą być dostępne wystarczające zasoby.

Proces jest stosunkowo prosty: kolisty DNA replikuje się, tworząc dwie identyczne podwójne helisy. Następnie materiał genetyczny zostaje umieszczony w błonie komórkowej i komórka zaczyna rosnąć, dopóki nie podwoi swojej wielkości. Komórka jest ostatecznie podzielona i każda wynikowa część ma kołową kopię DNA.

W niektórych bakteriach komórki mogą dzielić materiał i rosnąć, ale w ogóle się nie dzielą i tworzą rodzaj łańcucha.

Dodatkowe źródła zmienności genetycznej

Istnieją zdarzenia wymiany genów między bakteriami, które umożliwiają transfer genetyczny i rekombinację, proces podobny do tego, który znamy jako rozmnażanie płciowe. Te mechanizmy to koniugacja, transformacja i transdukcja.

Koniugacja polega na wymianie materiału genetycznego między dwie bakterie za pomocą struktury podobnej do drobnych włosków zwanych pili lub fimbriami, która działa jak „most”. W tym przypadku musi istnieć fizyczna bliskość między obiema jednostkami.

Transformacja polega na pobieraniu fragmentów nagiego DNA znajdującego się w środowisku. Oznacza to, że w tym procesie obecność drugiego organizmu nie jest konieczna.

Wreszcie mamy tłumaczenie, w którym bakteria pozyskuje materiał genetyczny za pomocą wektora, na przykład bakteriofagów (wirusów zakażających bakterie).

Odżywianie

Bakterie potrzebują substancji, które gwarantują ich przetrwanie i dostarczają im niezbędnej energii do procesów komórkowych. Komórka weźmie te składniki odżywcze przez absorpcję.

Ogólnie możemy sklasyfikować składniki odżywcze jako niezbędne lub podstawowe (woda, źródła węgla i związki azotu), wtórne (jak niektóre jony: potas i magnez) i pierwiastki śladowe, które są potrzebne w minimalnych stężeniach (żelazo, kobalt).

Niektóre bakterie wymagają specyficznych czynników wzrostu, takich jak witaminy i aminokwasy oraz czynniki stymulujące, które, choć nie są niezbędne, pomagają w procesie wzrostu.

Wymagania żywieniowe bakterii są bardzo zróżnicowane, ale ich wiedza jest niezbędna do przygotowania skutecznych podłoży hodowlanych zapewniających wzrost interesującego organizmu.

Kategorie żywieniowe

Bakterie można klasyfikować według źródła węgla, którego używają, organicznego lub nieorganicznego i w zależności od źródła uzyskanej energii.

Według źródła węgla mamy dwie grupy: autotrofy lub litotrofy używają dwutlenku węgla i heterotrofów lub organotrofów, które wymagają organicznego źródła węgla.

W przypadku źródła energii mamy również dwie kategorie: fototrofy, które wykorzystują energię pochodzącą ze słońca lub energii promieniowania i chemiotrofony, które zależą od energii reakcji chemicznych. Tak więc, łącząc obie kategorie, bakterie można podzielić na:

Fotautotrofy

Energia jest uzyskiwana ze światła słonecznego - co oznacza, że ​​są one fotosyntetycznie aktywne - a ich źródłem węgla jest dwutlenek węgla.

Fotoheterotrofy

Są w stanie wykorzystać promieniującą energię do rozwoju, ale nie są w stanie włączyć dwutlenku węgla. Dlatego używają innych źródeł węgla, takich jak alkohole, kwasy tłuszczowe, kwasy organiczne i węglowodany.

Chemoautotrofy

Energia jest uzyskiwana z reakcji chemicznych i mogą one zawierać dwutlenek węgla.

Chemoheterotrofy

Wykorzystują energię pochodzącą z reakcji chemicznych, a węgiel pochodzi ze związków organicznych, takich jak glukoza - która jest najczęściej używaną - lipidy, a także białka. Należy zauważyć, że źródło energii i źródło węgla są takie same w obu przypadkach, więc różnicowanie między nimi jest trudne.

Ogólnie rzecz biorąc, mikroorganizmy uważane za patogeny człowieka należą do tej ostatniej kategorii i wykorzystują jako źródło węgla aminokwasy i związki lipidowe ich gospodarzy.

Metabolizm

Metabolizm obejmuje wszystkie złożone reakcje chemiczne katalizowane przez enzymy, które występują w organizmie, aby mógł się rozwijać i rozmnażać.

W bakteriach reakcje te nie różnią się od podstawowych procesów zachodzących w bardziej złożonych organizmach. W rzeczywistości mamy wiele dróg, które są wspólne dla obu linii organizmów, takich jak na przykład glikoliza.

Reakcje metabolizmu dzieli się na dwie główne grupy: biosyntezę lub reakcje anaboliczne i degradację lub reakcje kataboliczne, które zachodzą w celu uzyskania produkcji energii chemicznej.

Reakcje kataboliczne uwalniają naprzemiennie energię, której organizm używa do biosyntezy jej składników.

Podstawowe różnice z komórkami eukariotycznymi

Prokarionty różnią się od prokariontów głównie strukturalną złożonością komórki i procesami w niej zachodzącymi. Następnie opiszemy główne różnice między obiema liniami:

Rozmiar i złożoność

Ogólnie, komórki prokariotyczne są mniejsze niż eukarioty. Te pierwsze mają średnice od 1 do 3 μm, w przeciwieństwie do komórki eukariotycznej, która może osiągnąć 100 μm. Istnieją jednak pewne wyjątki.

Chociaż organizmy prokariotyczne są jednokomórkowe i nie możemy ich obserwować gołym okiem (na przykład, jeśli nie obserwujemy kolonii bakteryjnych), nie powinniśmy używać charakterystyki do odróżnienia obu grup. U eukariontów spotykamy również organizmy jednokomórkowe.

W rzeczywistości jedną z najbardziej złożonych komórek są jednokomórkowe eukarionty, ponieważ muszą one zawierać wszystkie struktury niezbędne do ich rozwoju ograniczone do błony komórkowej. Gatunki Paramecium i Trypanosoma są to niezwykłe przykłady.

Z drugiej strony, istnieją wysoce złożone prokarioty, takie jak cyjanobakterie (grupa prokariotyczna, w której miała miejsce ewolucja reakcji fotosyntetycznych).

Rdzeń

Słowo „prokaryote” odnosi się do braku jądra (pro = przed; karyon = jądro), podczas gdy eukarionty mają prawdziwe jądro (ue = prawda). Zatem te dwie grupy są oddzielone obecnością tego ważnego organellum.

U prokariotów materiał genetyczny jest rozprowadzany w określonym regionie komórki zwanym nukleoidem - i nie jest prawdziwym jądrem, ponieważ nie jest ograniczony błoną lipidową.

Eukarioty mają zdefiniowane jądro i są otoczone podwójną membraną. Struktura ta jest niezwykle złożona, prezentując różne obszary wewnątrz, na przykład jąderko. Ponadto ta organelle może oddziaływać z wewnętrznym środowiskiem komórki dzięki obecności porów jądrowych.

Organizacja materiału genetycznego

Prokarioty zawierają od 0,6 do 5 milionów par zasad w swoim DNA i szacuje się, że mogą kodować do 5000 różnych białek. 

Geny prokariotyczne są zorganizowane w byty zwane operonami - jak znany operon laktoza - podczas gdy geny eukariotyczne nie.

W genach możemy wyróżnić dwa „regiony”: introny i egzony. Pierwsze to części, które nie kodują białka i które zakłócają regiony kodujące, zwane eksonami. Introny są powszechne w genach eukariotycznych, ale nie w prokariotach.

Prokarioty są na ogół haploidami (pojedynczym ładunkiem genetycznym), a eukarionty mają zarówno obciążenia haploidalne, jak i poliploidalne. Na przykład my, ludzie, jesteśmy dyplomatami. Podobnie prokarioty mają więcej niż jeden chromosom i eukarionty.

Zagęszczanie materiału genetycznego

W jądrze komórkowym eukarionty wykazują złożoną organizację DNA. Długa nić DNA (około dwóch metrów) może zwinąć się w taki sposób, że może zostać zintegrowana z jądrem i podczas procesów podziału może być wizualizowana pod mikroskopem w postaci chromosomów.

Ten proces zagęszczania DNA obejmuje szereg białek, które są w stanie związać się z nicią i utworzyć struktury przypominające naszyjnik z pereł, gdzie nić jest reprezentowana przez DNA i koraliki za pomocą pereł. Te białka nazywane są histonami.

Histony były szeroko konserwowane w trakcie ewolucji. Oznacza to, że nasze histony są niewiarygodnie podobne do myśliwych lub bardziej do owadów. Strukturalnie posiadają dużą liczbę dodatnio naładowanych aminokwasów, które oddziałują z ładunkami ujemnymi DNA.

U prokariotów znaleziono pewne białka homologiczne do histonów, które są ogólnie znane jako histony-jak. Białka te przyczyniają się do kontroli ekspresji genów, rekombinacji DNA i replikacji oraz, podobnie jak histony u eukariotów, uczestniczą w organizacji nukleoidów.

Organelle

W komórkach eukariotycznych można zidentyfikować szereg bardzo złożonych przedziałów subkomórkowych, które pełnią określone funkcje.

Najbardziej istotne są mitochondria, odpowiedzialne za procesy oddychania komórkowego i generowania ATP, aw roślinach chloroplasty wyróżniają się dzięki swojemu trój błonowemu systemowi i niezbędnej maszynerii do fotosyntezy..

Mamy również kompleks Golgiego, gładką i szorstką siateczkę endoplazmatyczną, wakuole, lizosomy, peroksysomy, między innymi.

Struktura rybosomu

Rybosomy stanowią maszynę niezbędną do syntezy białek, więc muszą być obecne zarówno w eukariotach, jak i prokariotach. Chociaż jest to niezbędna struktura dla obu, różni się głównie wielkością.

Rybosomy składają się z dwóch podjednostek: jednej dużej i jednej małej. Każda podjednostka jest identyfikowana przez parametr zwany współczynnikiem sedymentacji.

U prokariotów duża podjednostka to 50S, a mała podjednostka to 30S. Pełna struktura nazywa się 70S. Rybosomy są rozproszone w cytoplazmie, gdzie wykonują swoje zadania.

Eukarionty mają większe rybosomy, duża podjednostka wynosi 60S, mała 40S, a cały rybosom ma wartość 80S. Znajdują się one głównie zakotwiczone w szorstkiej retikulum endoplazmatycznym.

Ściana komórkowa

Ściana komórkowa jest niezbędnym elementem do radzenia sobie ze stresem osmotycznym i służy jako bariera ochronna przed możliwymi uszkodzeniami. Prawie wszystkie prokarioty i niektóre grupy eukariontów mają ścianę komórkową. Różnica polega na jego chemicznym charakterze.

Ściana bakteryjna składa się z peptydoglikanu, polimeru złożonego z dwóch elementów strukturalnych: N-acetyloglukozaminy i kwasu N-acetylomuraminowego, połączonych ze sobą wiązaniami typu β-1,4.

W linii eukariotycznej znajdują się także komórki ze ścianami, głównie w niektórych grzybach i we wszystkich roślinach. Najobficiej występującym związkiem w ścianie grzybów jest chityna, aw roślinach celuloza, polimer utworzony przez wiele jednostek glukozy.

Podział komórek

Jak omówiono powyżej, prokarioty są podzielone przez rozszczepienie binarne. Eukarionty mają złożony system podziału, który obejmuje różne etapy podziału jądrowego, czy to mitozy, czy mejozy.

Filogeneza i klasyfikacja

Jesteśmy ogólnie przyzwyczajeni do definiowania gatunku zgodnie z biologiczną koncepcją zaproponowaną przez E. Mayra w 1989 r .: „grupy krzyżujących się naturalnych populacji, które są reprodukcyjnie izolowane od innych grup”.

Zastosowanie tej koncepcji do gatunków bezpłciowych, jak w przypadku prokariotów, jest niemożliwe. Dlatego musi istnieć inny sposób podejścia do pojęcia gatunków w celu sklasyfikowania tych organizmów.

Według Rosselló-Mora et al. (2011), koncepcja phylo-fenetic dobrze pasuje do tej linii: „monofiletyczny i genomowo spójny zbiór pojedynczych organizmów, które wykazują wysoki stopień ogólnego podobieństwa w wielu niezależnych cechach i można je rozpoznać przez dyskryminacyjną właściwość fenotypową”.

Wcześniej wszystkie prokarioty były klasyfikowane do jednej „domeny”, dopóki Carl Woese nie zasugerował, że drzewo życia powinno mieć trzy główne gałęzie. Po tej klasyfikacji prokarioty obejmują dwie domeny: Archaea i Bakterie.

W obrębie bakterii znajduje się pięć grup: proteobakterie, chlamydie, krętki cyjanobakterie i bakterie Gram-dodatnie. Podobnie mamy cztery główne grupy archeonów: Euryarchaeota, Grupo TACK, Asgard i Grupo DPANN.

Nowe perspektywy

Jedną z najbardziej rozpowszechnionych koncepcji w biologii jest prostota cytokolu prokariotycznego. Jednak nowe dowody sugerują, że istnieje potencjalna organizacja w komórkach prokariotycznych. Obecnie naukowcy próbują zburzyć dogmat o braku organelli, cytoszkieletu i innych cech w tej jednokomórkowej linii..

Organelle u prokariotów

Autorzy tej nowatorskiej i kontrowersyjnej propozycji zapewniają, że w komórkach eukariotycznych występują poziomy kompartmentalizacji, głównie w strukturach ograniczonych przez białka i lipidy wewnątrzkomórkowe.

Według obrońców tej idei organelle to przedział otoczony biologiczną błoną o określonej funkcji biochemicznej. Wśród tych „organelli” zgodnych z tą definicją mamy między innymi ciała lipidowe, karboksysomy, wakuole gazowe..

Magnetosomy

Jednym z najbardziej fascynujących przedziałów bakterii są magnetosomy. Struktury te są związane z pojemnością niektórych bakterii Magnetospirillum o Magnetococcus - używania pól magnetycznych do orientacji.

Strukturalnie są to małe ciała o wielkości 50 nanometrów otoczone błoną lipidową, której wnętrze składa się z minerałów magnetycznych.

Błony fotosyntetyczne

Ponadto niektóre prokarioty mają „błony fotosyntetyczne”, które są najbardziej przebadanymi przedziałami w tych organizmach.

Systemy te działają w celu maksymalizacji wydajności fotosyntezy, zwiększając liczbę dostępnego białka fotosyntetycznego i maksymalizując powierzchnię błony, która jest wystawiona na działanie światła.

Przedziały w Planctomycetes

Nie było możliwe prześledzenie wiarygodnej ścieżki ewolucyjnej z wyżej wymienionych przedziałów do wysoce złożonych organelli eukariontów.

Jednak gatunek Planctomycetes Posiada szereg przedziałów wewnątrz, które przypominają same organelle i mogą być proponowane jako bakteryjny przodek eukariontów. W tym gatunku Pirellula są chromosomy i rybosomy otoczone błonami biologicznymi.

Składniki cytoszkieletu

Podobnie istnieją pewne białka, które historycznie były uważane za unikalne dla eukariontów, w tym podstawowe włókna, które są częścią cytoszkieletu: tubulina, aktyna i włókna pośrednie.

Ostatnie badania pozwoliły zidentyfikować białka homologiczne do tubuliny (FtsZ, BtuA, BtuB i inne), aktyny (MreB i Mb1) oraz do włókien pośrednich (CfoA).

Referencje

  1. Cooper, G. M. (2000). Komórka: podejście molekularne. Sinauer Associates.
  2. Dorman, C. J. i Deighan, P. (2003). Regulacja ekspresji genów przez białka podobne do histonów w bakteriach. Aktualna opinia w dziedzinie genetyki i rozwoju, 13(2), 179-184.
  3. Guerrero, R. i Berlanga, M. (2007). Ukryta strona komórki prokariotycznej: ponowne odkrycie świata mikrobiologicznego. Międzynarodowa mikrobiologia, 10(3), 157-168.
  4. Murat, D., Byrne, M., & Komeili, A. (2010). Biologia komórkowa organelli prokariotycznych. Perspektywy Cold Spring Harbor w biologii, a000422.
  5. Rosselló-Mora, R. i Amann, R. (2001). Koncepcja gatunku dla prokariotów. Opinie mikrobiologii FEMS, 25(1), 39-67.
  6. Slesarev, A.I., Belova, G.I., Kozyavkin, S.A. i Lake, J.A. (1998). Dowody na wczesne prokariotyczne pochodzenie histonów H2A i H4 przed pojawieniem się eukariotów. Badania kwasów nukleinowych, 26(2), 427-430.
  7. Souza, W. D. (2012). Komórki prokariotyczne: organizacja strukturalna cytoszkieletu i organelli. Wspomnienia Instytutu Oswaldo Cruz, 107(3), 283-293.